Física - De A a Z

FUVEST 2000 - 2a Fase - Física - 06/01/2000
ATENÇÃO
VERIFIQUE SE ESTÃO IMPRESSOS EIXOS DE GRÁFICOS OU ESQUEMAS, NAS
FOLHAS DE RESPOSTAS DAS QUESTÕES 1, 2, 4, 9 e 10. Se notar a falta de
uma delas, peça ao fiscal de sua sala a substituição da folha.
•
A correção de uma questão será restrita somente ao que estiver
apresentado no espaço correspondente, na folha de resposta, à
direita da questão. É indispensável indicar a resolução das
questões, não sendo suficiente apenas escrever as respostas.
•
Há espaço para rascunho, tanto no início como no final deste
caderno.
Quando necessário, adote:
aceleração da gravidade na Terra = g = 10m/s2
massa específica (densidade) da água = 1.000 kg/m3
calor específico da água = 1,0 cal/g°C.
1 cal ≅ 4 J.
Q.01
Um elevador, aberto em cima, vindo
do subsolo de um edifício, sobe
mantendo
sempre
uma
velocidade
constante Ve=5,0 m/s. Quando o piso
do elevador passa pelo piso do
térreo, um dispositivo colocado no
piso do elevador lança verticalmente,
para cima, uma bolinha, com velocidade
inicial vb=10,0 m/s, em relação ao
elevador.
Na
figura,
h
e
h'
representam, respectivamente, as
alturas da bolinha em relação aos
pisos do elevador e do térreo e H
representa a altura do piso do
elevador em relação ao piso do
térreo. No instante t=0 do lançamento
da bolinha, H=h=h’=0.
a) No sistema de coordenadas da folha de respostas, construa e
identifique os gráficos H(t), h(t) e h’(t), entre o instante
t = 0 e o instante em que a bolinha retorna ao piso do
elevador.
b) Indique o instante tmax em que a bolinha atinge sua altura
máxima, em relação ao piso do andar térreo.
Página 1 de 8
FUVEST 2000 - 2a Fase - Física - 06/01/2000
Q.02
Um observador O olha-se em um espelho plano vertical, pela
abertura de uma porta, com 1 m de largura, paralela ao espelho,
conforme a figura abaixo e o esquema da folha de respostas.
Segurando uma régua longa, ele a mantém na posição horizontal,
paralela ao espelho e na altura dos ombros, para avaliar os
limites da região que consegue enxergar através do espelho
(limite D, à sua direita, e limite E, à sua esquerda).
a) No esquema da folha de respostas, trace os raios que,
partindo dos limites D e E da região visível da régua,
atingem os olhos do observador O.
Construa a solução,
utilizando linhas cheias para indicar esses raios e linhas
tracejadas para prolongamentos de raios ou outras linhas
auxiliares.
Indique, com uma flecha, o sentido de percurso
da luz.
b) Identifique D e E no esquema, estimando, em metros, a
distância L entre esses dois pontos da régua.
Página 2 de 8
FUVEST 2000 - 2a Fase - Física - 06/01/2000
Q.03
Uma pista é formada por duas rampas inclinadas, A e B, e por
uma região horizontal de comprimento L. Soltando-se, na rampa
A, de uma altura HA, um bloco de massa m, verifica-se que ele
atinge uma altura HB na rampa B (conforme figura), em
experimento realizado na Terra. O coeficiente de atrito cinético
entre o bloco e a pista é nulo nas rampas e igual a µ na região
horizontal.
Suponha que esse mesmo experimento
seja realizado em Marte, onde a
aceleração da gravidade é gM ≅ g /3,
e considere que o bloco seja solto
na mesma rampa A e da mesma altura
HA. Determine:
a) a razão Ra = vA Terra/vA Marte, entre as velocidades do bloco no
final da rampa A (ponto A), em cada uma das experiências
(Terra e Marte).
b) a razão Rb = WTerra/WMarte, entre as energias mecânicas dissipadas
pela força de atrito na região horizontal, em cada uma das
experiências (Terra e Marte).
c) a razão Rc = HB Terra/HB Marte, entre as alturas que o bloco
atinge na rampa B, em cada uma das experiências (Terra e
Marte).
Página 3 de 8
FUVEST 2000 - 2a Fase - Física - 06/01/2000
Q.04
Uma caixa C, parada sobre uma superfície horizontal, tem em seu
interior um bloco B, que pode deslizar sem atrito e colidir
elasticamente com ela. O bloco e a caixa têm massas iguais,
sendo mC = mB = 20 kg. Na situação representada na figura, no
instante t=0, é dado um empurrão na caixa, que passa a se
mover, sem atrito, com velocidade inicial v0 = 15 cm/s.
O bloco e a parede esquerda da
caixa colidem no instante t1=2s,
passando o bloco, depois, a colidir
sucessivamente com as paredes direita
e esquerda da caixa, em intervalos
de tempo ∆t iguais.
a) Determine os intervalos de tempo ∆t.
b) Construa, nos sistemas de coordenadas da folha de respostas,
os gráficos abaixo:
• Quantidade de movimento QC da caixa em função do tempo t
• Quantidade de movimento QB do bloco em função do tempo t
• Energia total E do sistema em função do tempo t
Em todos os gráficos, considere pelo menos quatro colisões e
indique valores e unidades nos eixos verticais.
Página 4 de 8
FUVEST 2000 - 2a Fase - Física - 06/01/2000
Q.05
Uma determinada máquina pneumática
aplica, por meio da haste H, uma
força para cima e para baixo sobre
um mecanismo externo. A haste H
interliga dois êmbolos, de áreas
S1=1,2m2 e S2=3,6m2, que podem mover-se
em dois cilindros coaxiais, ao longo
de um comprimento L = 0,50m,
limitado por pinos (E). O conjunto
(êmbolos e haste) tem massa M=8000kg.
Os êmbolos separam três regiões:
câmara C, mantida sempre em vácuo;
câmara B, entre esses dois êmbolos; região A, aberta ao ambiente. A
câmara B pode se comunicar com o ambiente, por um registro R1, e
com um reservatório de ar comprimido, à pressão constante
P=5,0×105Pa, por meio de um registro R2 (conforme figura).
Inicialmente, com o registro R1 aberto e R2 fechado, os êmbolos
deslocam-se lentamente para cima, puxando o mecanismo externo
com uma força constante FC. No final do percurso, R1 é fechado e
R2 aberto, de forma que os êmbolos deslocam-se para baixo,
empurrando o mecanismo externo com uma força constante FB.
(Considere a temperatura como constante e a pressão ambiente
como P0 = 1,0 x 105 Pa. Lembre-se de que 1 Pa = 1 N/m2). Determine
a) a intensidade, em N, da força FC.
b) a intensidade, em N, da força FB.
c) o trabalho T, sobre o mecanismo externo, em J, em um ciclo
completo.
Q.06
Uma experiência é realizada para estimar o calor específico de
um bloco de material desconhecido, de massa mb = 5,4 kg. Em
recipiente de isopor, uma quantidade de água é aquecida por uma
resistência elétrica R = 40 Ω, ligada a uma fonte de 120V,
conforme a figura. Nessas condições, e com os devidos cuidados
experimentais, é medida a variação
da temperatura T da água, em
função do tempo t, obtendo-se a
reta A do gráfico. A seguir,
repete-se a experiência desde o
início, desta vez colocando o
bloco
imerso
dentro
d’água,
obtendo-se a reta B do gráfico.
a) Estime a massa M, em kg, da
água colocada no recipiente.
b) Estime o calor específico cb do
claramente as unidades utilizadas.
Página 5 de 8
bloco,
explicitando
FUVEST 2000 - 2a Fase - Física - 06/01/2000
Q.07
Uma bolinha de isopor é mantida submersa, em um tanque, por um
fio preso ao fundo. O tanque contém um líquido de densidade ρ
igual à da água. A bolinha, de volume V = 200 cm3 e massa m = 40 g,
tem seu centro mantido a uma distância H0 = 50 cm da superfície
(figura 1). Cortando o fio, observa-se que a bolinha sobe,
salta fora do líquido, e que seu centro atinge uma altura h =
30 cm acima da superfície (figura 2). Desprezando os efeitos do
ar, determine:
a) A altura h’, acima da superfície, que o centro da bolinha
atingiria, se não houvesse perda de energia mecânica
(devida, por exemplo, à produção de calor, ao movimento da
água, etc.).
b) A energia mecânica E (em joules) dissipada entre a situação
inicial e a final.
Q.08
Uma partícula, de massa m e com carga
elétrica Q, cai verticalmente com velocidade
constante v0. Nessas condições, a força de
resistência do ar pode ser considerada como
Rar = kv, sendo k uma constante e v a
velocidade. A partícula penetra, então, em
uma região onde atua um campo magnético
uniforme e constante B, perpendicular ao
plano do papel e, nele entrando, conforme a
figura. A velocidade da partícula é, então,
alterada, adquirindo, após certo intervalo
de tempo, um novo valor vL, constante.
(Lembre-se de que a intensidade da força
magnética FM=qvB, em unidades SI,
para v perpendicular a B).
a) Expresse o valor da constante k em função de m, g e v0.
b) Esquematize os vetores das forças (Peso, Rar e FM) que agem
sobre a partícula, em presença do campo B, na situação em que
a velocidade passa a ser a velocidade vL. Represente, por uma
linha tracejada, direção e sentido de vL.
c) Expresse o valor da velocidade vL da partícula, na região
onde atua o campo B, em função de m, g, k, B e Q.
Página 6 de 8
FUVEST 2000 - 2a Fase - Física - 06/01/2000
Q.09
Um painel de células solares funciona como um gerador,
transformando energia luminosa em energia elétrica. Quando,
sobre a área de captação do painel, de 2 m2, incide uma
densidade superficial de potência luminosa de 400 W/m2, obtémse uma relação entre I (corrente) e V (tensão), conforme
gráfico abaixo. (Os valores de I e V são os indicados pelo
amperímetro A e pelo voltímetro V, no circuito esquematizado,
variando-se R em uma ampla faixa de valores). Nas aplicações
práticas, substitui-se a resistência por um aparelho elétrico.
Para as condições acima:
a) Construa, no sistema de coordenadas da folha de respostas,
um esboço do gráfico da potência fornecida pelo painel solar
em função da tensão entre seus terminais.
b) Estime a eficiência máxima (η
ηmax) de transformação de energia
solar em energia elétrica do painel.
c) Estime a resistência Rmax, quando a potência elétrica gerada
pelo painel for máxima.
Página 7 de 8
FUVEST 2000 - 2a Fase - Física - 06/01/2000
Q.10
Na figura mostrada na folha de respostas, estão representadas
as superfícies equipotenciais do potencial eletrostático criado
por duas esferas carregadas S1 e S2. Os centros das esferas
estão sobre a reta OO'. A diferença de potencial entre duas
linhas sucessivas é de 1 volt, e as equipotenciais de −3V e −4V
estão indicadas no gráfico.
a) Identifique os sinais das cargas elétricas Q1 e Q2 nas
esferas S1 e S2. Indique a relação entre os módulos das
cargas Q1 e Q2, utilizando os símbolos
> , < ou =.
b) Represente, na figura, direção e sentido do vetor campo
elétrico E no ponto A.
c) Estime o valor do campo elétrico E no ponto A, em N/C
(newton/coulomb), utilizando a escala de distâncias indicada
na figura.
d) Se existirem um ou mais pontos em que o campo elétrico seja
nulo, demarque, com a letra N, aproximadamente, a região
onde isso acontece. Se em nenhum ponto o campo for nulo,
registre na folha de respostas: “Em nenhum ponto o campo é
nulo”.
Página 8 de 8